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UNIDAD I
INTRODUCCIÓN Y CONCEPTOS GENERALES
1.1 El Estudio De La Química En la raíz de toda ciencia está nuestra insaciable curiosidad sobre nosotros y nuestro mundo. Nosotros nos maravillamos, como lo hicieron nuestros antepasados miles de años atrás, de la capacidad de la luciérnaga para iluminar una tarde de verano. Los colores y olores de la naturaleza nos traen una infinita variedad de mensajes sutiles. Con los ojos vendados, sabemos si estamos en un bosque de pinos o cerca de una playa. Nos maravillamos y nos preguntamos ¿Cómo es posible que una luciérnaga emita luz? ¿Por qué las hojas de los árboles cambian de color de verde en el verano al rojo, ocre y dorado en el otoño? ¿Porqué el hielo se derrite y el agua se evapora? ¿Cómo nuestros cuerpos usan alimentos para mantener la vida? Todos los días observamos estos y otros cambios sin pensar en su naturaleza química, los químicos con frecuencia observamos una cosa en el mundo macroscópico – las cosas que podemos ver, tocar y medir directamente – y visualizamos las partículas, átomos y sucesos en el mundo microscópico, por lo tanto con frecuencia realizaremos viajes entre los dos mundos – macroscópico y microscópico- para encontrar las respuestas que buscamos. 1.1.1 Definición La química es la ciencia que estudia las propiedades de los materiales y los cambios que estos sufren. Es muy común que a la química se le considere como la ciencia central, debido a que para los estudiantes de biología, física, geología y otras disciplinas es vital tener un conocimiento básico de química. La química es fundamental en nuestras vidas, sin ella tendríamos una vida más efímera, en el sentido de vivir en condiciones más primitivas: sin automóvil, sin electricidad, sin computadoras, sin CDs y sin muchísimos satisfactores cotidianos. 1.1.2. ¿Porqué estudiar química? La química permite obtener un entendimiento importante de nuestro mundo y su funcionamiento. Se trata de una ciencia eminentemente práctica, que está en el centro de muchas cuestiones que preocupan a casi todo el mundo, el mejoramiento de la atención medica, la conservación de recursos naturales, etc. Empleando la química se han descubierto sustancias farmacéuticas que fortalecen nuestra salud y prolongan nuestra vida, se han aumentado la producción de alimentos mediante el desarrollo de fertilizantes y plaguicidas, se han creado plásticos y otros materiales que se usan casi en todas las facetas de nuestras vidas. Desafortunadamente, algunos productos químicos también tienen el potencial de dañar nuestra salud o el ambiente, por lo tanto debemos encontrar un equilibrio informado en cuanto al uso de los compuestos químicos en nuestra vida. Al estudiar química, aprenderemos a usar el potente lenguaje y las ideas que han evolucionado para describir y entender la materia. El lenguaje químico es un lenguaje científico universal que se emplea ampliamente fuera de la química. Además, el entendimiento del comportamiento de los átomos y las
moléculas, nos permite comprender mejor otras áreas de la ciencia, la tecnología y la ingeniería modernas. 1.1.3. Desarrollo de la química La química es una ciencia ancestral ya que desde primeros tiempos, los hombres “hacían” química sin darse cuenta, aprendieron a fabricar cerámica, a cocinar los alimentos, elaboraron pinturas, aprendieron también la fermentación y el uso de ciertas plantas para tratar diversos padecimientos, tiempo después se habló de átomos, después los alquimistas deseaban convertir cualquier metal en oro, y muchísimos más descubrimientos se fueron dando con el tiempo, pero no fue hasta el siglo XIX cuando se instituyeron sus fundamentos, ya que los avances tecnológicos e intelectuales permitieron a los científicos separar las sustancias en sus más pequeños componentes y, por consiguiente, explicar muchas de sus características físicas y químicas. El rápido desarrollo de una tecnología cada vez más avanzada a lo largo del presente siglo nos ha dado más herramientas para estudiar lo que no se puede ver a simple vista. Utilizando computadoras y microscopios electrónicos los químicos pueden analizar, por ejemplo, la estructura de los átomos y las moléculas, así como diseñar nuevas sustancias con propiedades específicas, como fármacos y productos que hagan más agradable el medio ambiente del consumidor. 1.1.4. Campos e importancia de la química Salud y medicina: Diferentes logros nos han permitido prevenir y tratar enfermedades, medidas de salud pública, cirugía con anestesia, introducción de vacunas y antibióticos, terapia génica. La energía y el ambiente: La energía es un producto secundario en muchos procesos químicos, y a medida de que las necesidades de energía aumentan tanto en países de tecnología avanzada, como en países en desarrollo, los químicos trabajan afanosamente para encontrar nuevas fuentes de energía, ya que a la velocidad de consumo actual, se calcula que las reservas de combustibles fósiles alcanzarán para otros cincuenta o cien años, de ahí que sea urgente encontrar fuetes alternativas de energía como la energía solar, fisión nuclear, la fusión nuclear, etc. Materiales y Tecnología: El desarrollo de la química nos ha dado nuevos materiales que han mejorado profundamente nuestra calidad de vida y ha contribuido, con infinidad de métodos, al avance de la tecnología, por ejemplo los polímeros, la cerámica, los cristales líquidos, los adhesivos, materiales de recubrimiento. Alimentos y agricultura: Para satisfacer las demandas alimenticias del siglo XXI deben idearse nuevas estrategias para la agricultura, ya se ha demostrado que por medio de biotecnología se pueden desarrollar cultivos más extensos y mejores, los químicos además pueden idear los medios para aumentar la producción de fertilizantes que sean menos nocivos para el ambiente así como producir sustancias que eliminen selectivamente las yerbas nocivas.
Líquido : Las moléculas se encuentran unidas, pero no en una posición tan rígida y se pueden mover libremente, por eso los líquidos fluyen fácilmente. El volumen es definido y toma la forma del recipiente que lo contiene, esto es no se expande para llenar el recipiente. Es prácticamente incompresible. Gaseoso : En este estado las moléculas se encuentran separadas por distancias que son grandes con respecto a su tamaño, se encuentran en constante movimiento y chocan constantemente con ellas mismas o las paredes del recipiente que lo contiene y siempre tienden a ocupar el mayor volumen posible. Toma la forma y el volumen del recipiente que lo contiene. Fluye fácilmente. Plasma : un conjunto de partículas gaseosas eléctricamente cargadas, con cantidades aproximadamente iguales de iones positivos y negativos, se considera a veces un cuarto estado de la materia Cambios de estado: Sólido Líquido Gaseoso Plasma
La materia puede cambiar de un estado a otro sin necesidad de que cambie su composición, es decir que bajo ciertas condiciones, un material es sólido, si se cambian puede ser ahora ese mismo material un líquido o un gas, estos factores que determinan el estado de agregación de un material en especial son Presión y Temperatura. El agua existe como un sólido cuando la temperatura está por debajo de los 0º C, a condiciones normales de presión, si la temperatura se encuentra entre 0º C y 100º C existirá como un líquido a las mismas condiciones de presión, y por arriba de esa temperatura será un gas. La temperatura a la cual un material sólido pasa a ser líquido, se le conoce como punto de fusión, y a la temperatura en la cual su líquido pasa a ser gas se le llama temperatura de ebullición. GAS Vaporización Condensación Sublimación Deposición Fusión Solidificación 1.2.3. Sustancias puras y mezclas La mayor parte de las sustancias con las que nos topamos, el aire que respiramos (un gas), la gasolina (un líquido) y la acera por la que caminamos (un sólido) no son químicamente puras, sino que son combinaciones de dos o más sustancias, en las que cada sustancia conserva su propia identidad y por ende sus propiedades, a esto se le llama mezcla, por ejemplo una taza de café endulzada puede tener mucha o poca azúcar, las sustancias que componen una mezcla, por ejemplo el azúcar y el agua, se llaman componentes de la mezcla. Algunas mezclas no tienen las mismas propiedades y aspectos en todos sus puntos tales mezclas son heterogéneas, como la arena, las rocas y la madera. Las mezclas que son uniformes en todos sus puntos se llaman homogéneas como el aire, a este tipo de mezclas también se les llama soluciones (pueden estar en estado gaseoso –aire-, líquido –gasolina- y sólido – latón-). Cualquier mezcla ya sea homogénea o heterogénea se puede formar o separar en sus componentes puros por métodos físicos, sin cambiar la identidad de dichos componentes. Los componentes puros o sustancias puras es una forma de materia que tiene una composición constante o definida y con propiedades distintivas. Algunos ejemplos son el oro, la plata, el agua, el amoníaco. Las sustancias difieren entre si en su composición, y pueden ser identificadas por su apariencia, olor, sabor y otras propiedades, y no se pueden separar en sus componentes (en el caso de los compuestos) por métodos físicos. MATERIA
LIQUIDO
SÓLIDO
Na Natrium Sodio Cu Cuprum Cobre Pb Plumbum Plomo Hg Hydrargyrum Mercurio K Kalium Potasio Ag Argentum Plata Sn Stannum Estaño P Phosphorus Fosforo S Sulfur Azufre I Iodine Yodo y unos cuantos hacen referencia al lugar de su descubrimiento, por ejemplo: Símbolo Lugar de descubrimiento Elemento Fr Francia Francio Eu Europa Europio Ge Alemania Germanio Sc Escandinavia Escandio o en honor de un personaje famoso por ejemplo: Símbolo Nombre del personaje Elemento Md Mendeleev Mendelevio Cm Pierre y Marie Curie Curio Es Albert Einstein Einstenio No Alfred Nobel Nobelio A otros elementos se les asignó el nombre en honor de algún planeta, por ejemplo: Símbolo Nombre del planeta Elemento Np Neptuno Neptunio Pu Plutón Plutonio Te Tierra ( tellus ) Telurio U Urano Uranio Algunos elementos tienen nombre según el mineral del cual se les aisló, de su color, o alguna característica que presente. En fin como podremos darnos cuenta los orígenes de los símbolos y nombres de los elementos son muy variados, lo que sí es de suma importancia es conocerlos y aprenderlos. Algunos elementos como el oro, el carbono, la plata, son conocidos desde la antigüedad, y muchos han sido descubiertos, conforme ha ido avanzando la ciencia y la tecnología. Todos los elementos conocidos y sus símbolos se agrupan en un documento llamado tabla periódica, la cual constituye una herramienta indispensable para todo químico. 1.2.6. Compuestos:
Un compuesto es una sustancia formada por dos o más elementos unidos químicamente entre sí, siempre en las mismas proporciones. A diferencia de las mezclas los compuestos solo pueden separarse por métodos químicos en sus componentes. El hidrógeno gaseoso puede arder con oxígeno para formar agua H 2 O, que tiene propiedades muy distintas de sus elementos “originales”, y que siempre está constituida de la misma manera, dos átomos de hidrógeno unidos a un átomo de oxígeno, sea cual sea su origen, un lago en Mongolia o las capas de hielo en Marte. La observación de que la composición elemental de un compuesto puro siempre es la misma, se le conoce como ley de la composición constante o ley de las proporciones definidas. Las diferencias entre propiedades o composiciones entre las sustancias indican que los compuestos no son iguales o difieren en su grado de pureza. NO representa una molécula de monóxido de nitrógeno NO 2 representa una molécula de dióxido de nitrógeno N 2 O 3 representa una molécula de trióxido de dinitrógeno Aún y cuando las moléculas anteriores están formadas por los mismos elementos, y “solo” varían las proporciones, estamos hablando de compuestos químicos diferentes, con propiedades y características distintas uno del otro. 1.3. Propiedades De La Materia Cada sustancia tiene un conjunto único de propiedades o características que permiten reconocerlo y distinguirlo de otras sustancias. Todas las propiedades medibles de la materia pertenecen a una de dos categorías: propiedades intensivas o propiedades extensivas de la materia. Las propiedades intensivas son aquellas que no dependen de cuanta materia se considere, por ejemplo la densidad, temperaturas de ebullición, de fusión, por ejemplo un litro de agua a presión de 1 atm. hierve a 100º C igual que hierven 20 l de agua en estas mismas condiciones, lo que varía es el tiempo que se tarda en alcanzar esa temperatura, pero no en si la temperatura, igual que la densidad del agua que a 4º C es de 1gr/cc si son medio, veinte, cuarenta litros o un mililitro. En cambio las propiedades extensivas si dependen de la cantidad de materia que se tiene, por ejemplo: la masa, el volumen, la longitud, etc. Las propiedades de la materia se puede agrupar en dos categorías propiedades físicas y propiedades químicas. Propiedades Físicas:
1.4.3 Temperatura Sentimos la temperatura como una medida de la calidez o frialdad de un objeto. En realidad, la temperatura determina la dirección del flujo del calor. El calor siempre fluye de espontáneamente de una sustancia que esta a una temperatura más alta hacia una que está a una temperatura más baja. Por ello sentimos la entrada de energía cuando tocamos un objeto caliente, y sabemos que ese objeto está a una temperatura más alta que nuestra mano. Actualmente se utilizan tres escalas de temperatura. Sus unidades son º C (grados Celsius o centígrados), º F (grados Fahrenheit) y º K (grados Kelvin). El Kelvin es la unidad fundamental del SI en temperatura, es decir la escala de temperatura absoluta, el término absoluta significa que el cero en la escala Kelvin, denotado por 0º K es la temperatura teórica más baja que puede obtenerse, por otro lado 0º C y 0º F se basan en el comportamiento de una sustancia elegida en forma arbitraria, el agua. En la escala Celsius, el punto de congelación del agua corresponde a 0º C y el de evaporación a 100º C, mientras que en la escala Fahrenheit el punto de congelación del agua corresponde a 32º F y el de evaporación corresponde a 212º F. Para convertir: ºC = (º F – 32ºF) x (5º C / 9º F) ºF = (9 ºF/ 5º C) x (ºC) + 32º F ºK = (ºC + 273.15ºC) x (1ºK/1ºC) 1.4.4. Unidades SI derivadas Las unidades SI fundamentales sirven para derivar las unidades de otras cantidades, para ello se utiliza la ecuación que define la cantidad sustituyendo las unidades fundamentales apropiadas, por ejemplo, la velocidad se define como el cociente de la distancia y el tiempo transcurrido, por lo tanto la unidad SI para la velocidad es la unidad SI para la longitud dividida entre la unidad SI del tiempo (m/s), que se lee metros por segundos, unas de las unidades SI derivadas de mayor uso en química son : 1.4.5. Volumen: La unidad SI fundamental del volumen es el metro cúbico m^3. que corresponde al volumen de un cubo que tiene 1 m por lado, dado que se trata de un volumen muy grande es común utilizar unidades más pequeñas como son el centímetro cúbico (cm^3 , cc), también se utiliza el decímetro cúbico (dm^3 ), este volumen se conoce comúnmente como litro (L), como ha 1000 mililitros en un litro y cada mililitro ocupa el mismo volumen que un cc 1 mL 0 1 cc, estos términos se emplean indistintamente para expresar volumen. 1.4.6. Densidad: La densidad se utiliza ampliamente para caracterizar las sustancias; se define como la cantidad de masa en una unidad de volumen de la sustancia, se expresa comúnmente en unidades de gramos por centímetro cúbico (g/cc). La ecuación dada para densidad es : Densidad = masa / volumen
d = m/v Como la densidad es una propiedad intensiva y no depende de la cantidad de masa presente, para un material dado la relación masa /volumen siempre es la misma, en otras palabras, conforme aumenta la masa, aumenta el volumen. La unidad derivada del SI para la densidad es el kilogramo por metro cúbico (kg/m^3 ), y como esta unidad es demasiado grande para la mayoría de las aplicaciones en química, por lo que se utiliza g/cc o g/mL con mayor frecuencia para expresar las densidades de los sólidos y los líquidos, como las densidades de los gases son muy bajas, para ello se emplea la unidad de g/L (gramos por litro). 1.4.7. Prefijos y Exponentes: Prefijos utilizados con unidades SI Prefijo Símbolo Significado Ejemplo Tera- T 1 000 000 000 000 o 1x10^12 1 Terametro (Tm)=1x10^12 m Giga- G 1 000 000 000 o 1x10^9 1 Gigametro (Gm)=1x10^9 m Mega- M 1 000 000 o 1x10^6 1 Megametro (Mm)=1x10^6 m Kilo- k 1 000 o 1x10^3 1 kilómetro (km) = 1x10^3 m Deci- d 1/10 o 1x10-1^ 1 decímetro (dm) = 1x10-1^ m Centi- c 1/100 o 1 x 10-2^ 1 centímetro (cm)=1x10-2^ m Mili- m 1/1 000 o 1x10-3^ 1 milímetro (mm)=1x10-3^ m Micro- μ 1/1 000 000 o 1x10-6^ 1 micrómetro (μm)=1x10-6^ m Nano- n 1/1 000 000 000 o 1x10-9^ 1 nanómetro (nm)=1x10-9m Pico- p 1/1 000 000 000 000 o 1x10-121 picómetro(pm)=1x10-12m Femto- f 1/1 000 000 000 000 000 1 femtómetro (fm)=1x10-15m 1.5 Manejo De Números En los trabajos científicos reconocemos dos tipos de números: números exactos (cuyos valores se conocen con exactitud) y números inexactos (cuyos valores tienen cierta incertidumbre). Los números exactos son aquellos que tienen valores por definición o son enteros que resultan de contar objetos, por ejemplo, se define que hay exactamente 12 huevos en una docena de huevos, exactamente 1000 se un kg y exactamente 2.54 cm en 1 pulgada. El número 1 en cualquier factor de conversión entre unidades, como 1 m x 100 cm, también es un número exacto. Los números que se obtienen midiendo siempre son números inexactos ya que hay diferencias inherentes en el equipo empleado para medir cantidades (errores de equipo), y hay diferencias en la forma en que diferentes personas realizan la misma medición (errores humanos). Supongamos que se da a diez estudiantes diez balanzas distintas para que pesen una misma moneda, los pesos serían aproximados, pero no iguales. Recuerde: siempre hay incertidumbre en las cantidades medidas. 1.5.1. Precisión y exactitud Al analizar mediciones y cifras es conveniente distinguir dos términos: exactitud y precisión.
menor que 1, solo son significativos los ceros que se encuentren entre los números distintos a uno y al final, por ejemplo 0.000090 g contiene dos cifras significativas. Para números sin punto decimal, los ceros colocadas al final pueden o no ser cifras significativas, así 500 cm puede contener una, dos o tres cifras significativas, esto se puede explicar mediante el uso de notación científica, por ejemplo para 200 se puede expresar: 2 x 10^2 (una cifra) 2.0 x 10^2 (dos cifras) 2.00 x 10^2 (tres cifras) para 10 300 por ejemplo: 1.03 x 10^4 (tres cifras) 1.030 x 10^4 (cuatro cifras) 1.0300 x 10^4 (cinco cifras) Cálculos con cifras significativas: Al utilizar cantidades medidas en cálculos, tenga presente esto; la precisión del resultado está limitado por la precisión de las mediciones, por los tanto no podemos obtener resultados exactos, con datos inexactos. Adiciones y sustracciones: En la adición y sustracción, el números de cifras significativas a la derecha del punto decimal en la operación final, está determinado por el número más pequeño de cifras significativas a la derecha del punto decimal de cualesquiera de los números originales, ejemplo:
- 1.23 dos cifras significativas después del punto 92.1065 Se redondea a 92.
- 0.12 dos cifras significativas después del punto 23.26508 se redondea a 23. Multiplicaciones y divisiones: El número de cifras significativas del producto o cociente resultante está determinado por el número original que tiene el número más pequeño de cifras significativas, ejemplos: 1.4 x 32.4567 = 45.43938 Se redondea a 45 5.43 ÷ 24.5676 = 0.221023 Se redondea a 0. Debe tenerse presente que los números exactos (obtenidos por definición o al contar varios objetos) tienen un número infinito de cifras significativas, por ejemplo si un objeto tiene una masa de 1. g ocho objetos tendrán una masa de: 1.2345g x 8 = 9.876 g
este producto no se redondea a una cifra significativa, ya que el número 8 es por definición 8.0000000........., de la misma manera, si se desea sacar el promedio de dos longitudes: (2.24 cm + 2.34 cm) ÷ 2 = 2. el 2.29 no se redondea ya que el 2 por definición es 2.000.... 1.5.3. Notación científica Sin importar la magnitud de un número todos pueden ser expresados de la siguiente forma: N x 10 n Donde N es un número entre 1 y 10 y n es un exponente entero, positivo o negativo. Cualquier número expresado de esta manera se dice que es notación científica. Esta forma de expresar los números facilita su manejo, sobre todo cuando se trata de cantidades muy grandes o muy pequeñas, como las que comúnmente se manejan en la química, imagínese: Hay aproximadamente 602 200 000 000 000 000 000 000 átomos de hidrógeno en 1 g de hidrógeno y cada átomo de hidrógeno entonces tiene apenas una masa de 0.00000000000000000000000166 g, es bastante complicado manejar estas cifras, ya que es fácil olvidar poner un cero o agregar ceros de más, eso sí solo hablamos de copiarlas, pero se complica aún más cuando se trata de realizar cálculos con estas cantidades, pero estas cantidades expresadas en notación científica son más fáciles de manejar: 602 200 000 000 000 000 000 000 átomos = 6.02 x 10^23 átomos 0.00000000000000000000000166 g = 1.66 x 10-24^ g Supóngase que se desee expresar cierto número en notación científica, básicamente la tarea es encontrar el valor de n, para esto se cuenta el número de lugares que se debe mover el punto decimal para tener el número N (que está entre 1 y 10). Si el punto decimal se mueve hacia la izquierda, entonces se trata de un número entero positivo, si se debe mover hacia la derecha, entonces se trata de un número entero negativo, ejemplos: 34567 = 3.4567 x 10 4 245.32 = 2.4532 x 10 2 0.000123 = 1.23 x 10 – 0.00000789 = 7.89 x 10 – Es importante tener en cuenta los siguientes hechos: Primero n = 0 se utiliza para los números que no se expresan en notación científica, por ejemplo 78.9 x 10 0 se expresa 78.9. Segundo, en la práctica se omite el exponente cuando n = 1, por ejemplo la notación científica para 56.7 es 5.67 x 10 y no 5.67 x
Cálculos con notación científica:
estos se denominan factores de conversión y los podemos expresar de ambas maneras según la conveniencia en cada caso: Si se desea transformar 5.48 cm a metros entonces: pero si se desea transformar 5890.45 cm a metros, entonces: Aunque estos factores de conversión pueden ser expresados: y pueden ser utilizados de la misma manera para obtener los mismos resultados, algo muy importante en los factores de conversión es mantener la equivalencia, es decir, si un metro equivale a 100 cm, dos metros equivalen a 200 cm y así sucesivamente. 1.6.2. Ejercicios 1.6.2.1. Si la distancia entre dos átomos de hidrógeno en una molécula de hidrógeno es de 74 pm, a cuanto equivale esta distancia en metros. Respuesta El problema es X m = 74 pm Por definición: 1 pm = 1 x 10-12^ m Por lo tanto los factores de conversión serían: Se elegiría en este caso el segundo factor expresado, así:
1.6.2.2. La ingesta diaria de glucosa de una persona promedio es de 0,0833 libras ¿Cuánto es esta masa en miligramos (mg)? Respuesta El problema es: X mg = 0. Por definición: 1 lb = 454 g Los factores de conversión se pueden expresar: y 1000 mg = 1 g los factores de conversión en este caso serían: Entonces: De esta manera se pueden emplear un gran número de factores de conversión en un mismo paso del problema, solo hay que cuidar que las unidades se acomoden correctamente para que se puedan “cancelar” y obtener las unidades buscadas. 1.6.2.3. El dólar de plata Morgan tiene una masa de 26.73 g. Por ley se requería que esta moneda contuviera 90 % de plata, siendo el resto cobre. a) Cuando la moneda se acuño a finales del siglo XIX, la onza troy (31.1 g) de plata costaba 1. dólares. A este precio ¿cuánto valía al plata de la moneda? b) Hoy día la plata se vende a 3.70 dólares la onza troy ¿Cuántos dólares de plata se requieren para obtener 25.00 dólares de plata pura? Respuesta a) plata del dólar Morgan = X dólares Como el 90% de la moneda era plata, la primera parte es descubrir cuanto es esto en gramos, y luego sabiendo el costo de 1 onza en dólares, encontrar el valor del la plata contenida en la moneda:
propiedades de una sustancia y las clases de átomos que contiene? ¿Qué aspecto tiene un átomo y que lo hace diferente de un átomo de un elemento diferente? 2.1. El Descubrimiento De La Teoría Atómica En el siglo V a.C., el filósofo griego Demócrito expresó la idea de que toda la materia estaba formada por partículas muy pequeñas e indivisibles que llamó átomos (que significa indestructible o indivisible). La mayoría de los filósofos incluidos Platón y Aristóteles, creían que la materia era infinitamente divisible, a pesar de la resistencia de la mayoría esta idea se sostuvo. Tiempo después y conforme se acumulaba información sobre como se forman las sustancias, las pruebas experimentales de investigaciones científicas apoyaron la teoría del atomismo , lo que condujo de manera gradual a las definiciones modernas de elementos y compuestos. Durante el período de 1803 a 1807, John Dalton, Un maestro de escuela inglés, publicó una teoría atómica congruente. Dalton diseñó su teoría con miras a explicar varias observaciones experimentales. Sus ideas fueron tan sagaces que su teoría ha perdurado prácticamente intacta hasta nuestros días. Las hipótesis sobre la naturaleza de la materia en las que se basa la teoría atómica de Dalton pueden resumirse como sigue:
- Los elementos están formados por partículas extremadamente pequeñas llamadas átomos.
- Todos los átomos de un mismo elemento son idénticos, tienen igual tamaño, masa y propiedades químicas. Los átomos de un elemento son diferentes de los átomos de todos los demás elementos.
- los átomos de un elemento no se transforman en tipos de átomos diferentes mediante reacciones químicas; los átomos no se crean ni se destruyen en las reacciones químicas.
- Los compuestos están formados por átomos de más de un elemento. En cualquier compuesto, la relación del número de átomos entre dos de los elementos presentes siempre es un número entero o una fracción sencilla.
- Una reacción química incluye solo la separación, combinación o reordenamiento de los átomos; nunca se crean o se destruyen. Según la teoría atómica de Dalton, los átomos son los bloques de construcción básicos de la materia; son las partículas más pequeñas de un elemento que conservan su identidad química. Dalton imaginó al átomo como una estructura extremadamente pequeña e indivisible y no intentó describir la estructura o composición de los átomos porque no tenía idea de cómo es un átomo. La teoría de Dalton explica varias leyes sencillas respecto a la combinación de la química que ya se conocían en su época, como: la ley de la composición constante, o también llamada ley de Proust, que establece que muestras diferentes de un mismo compuesto, siempre contienen los mismos elementos y en las mismas proporciones, es decir un vaso de H 2 O, es el mismo compuesto que una gota o un recipiente de 200 L, la ley de la conservación de la masa, que dice que la masa no se crea ni se destruye, solo es transforma_._ Pero además Dalton uso su teoría para deducir la ley de las proporciones múltiples : Di dos elementos A y B se combinan para formar más de un compuesto, las masas de B que se pueden combinar con una masa de A están en proporciones de números enteros pequeños. Podemos ilustrar esta ley considerando el agua y el peróxido de hidrógeno, sabemos que el
agua de formula H 2 O está formada por dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno, mientras que el peróxido de hidrógeno H 2 O 2 está formada por dos átomos de oxígeno y dos átomos de hidrógeno, ambos compuestos formadas por los mismos elementos y solo varía la proporción, lo que da propiedades distintas en cada uno de los dos compuestos, por ejemplo si se tiene sed, se puede beber un vaso de H 2 O frío para calmarla, pero sería imposible y dañino beber un vaso de H 2 O 2. Sin embargo una serie de investigaciones que inició alrededor de 1850 y se extendió hasta el siglo XX demostró que los átomos tienen una estructura interna, es decir, están formados por partículas aún más pequeñas, denominadas partículas subatómicas. 2.1.1. Rayos catódicos y electrones Hace 101 años, J.J. Thomson hizo un descubrimiento extraordinario: encontró uno de los constituyentes más pequeños de la materia. Se trata de una partícula insoportablemente ligera, cuya masa es... ¡un quintillón de veces menor que un kilogramo!. Para colmo, esa pequeñez no es neutra sino cargada y, de hecho, representa la parte negativa de la materia. ¿Cómo pudo alguien descubrir algo tan pequeño? ¿Quiénes más estuvieron involucrados en la hazaña? ¿Qué vieron, qué hicieron, qué concluyeron? Veamos. El descubrimiento del electrón emergió de estudiar el paso de la electricidad a través de los gases. Este fenómeno había sido explorado, al igual que casi todo lo relacionado con la electricidad, por Michael Faraday en el año de 1830. Este trabajo fué retomado por Julius Plücker, un profesor de matemática de la Universidad de Bonn que, posteriormente, se dedicó a la física experimental. Plücker tenía como asistente a un talentoso soplador de vidrio y fabricante de instrumentos, Heinrich Geissler, quien diseñó un ingenioso artefacto capaz de lograr un vacío sin precedentes dentro de un tubo de vidrio. El “tubo Geissler” tenía además un par de electrodos metálicos sellados en cada extremo. De esta manera era posible aplicar un alto voltaje al gas contenido -a muy baja presión- en el tubo. Plücker descubrió unos pequeños puntos luminosos sobre las paredes de vidrio. Parecía como si algún tipo de radiación invisible estuviera siendo emitida del electrodo negativo, o cátodo, causando la luminiscencia sobre el tubo de vidrio. ¿Una radiación saliendo del cátodo? Pero, ¿qué tipo de radiación? Ninguna conocida. Los rayos catódicos eran afectados por un campo magnético. Un imán era capaz de hacer cambiar de posición los puntos luminiscentes. Además, en 1869, Johann Willhelm Hittorf, físico alemán, encontró que, si se interponían objetos -transparentes u opacos, conductores o no, o delgadísimos - , se proyectaban sombras sobre los puntos luminosos. Estas observaciones fueron confirmadas por Eugene Goldstein en los años 1870 y 1880 en Berlín. La mayoría de las observaciones de Goldstein eran consistentes con la idea de una corriente de algo electrificado emergiendo del cátodo. Pero, ¿qué? ¿átomos cargados o moléculas ionizadas de gas residual? Esto parecía poco probable porque los rayos se propagaban mucho más lejos de lo esperado
